Раскрытие коммерческого потенциала УФ-отвердеваемых термореактивных смол в 3D-печати с непрерывным волокном

Технология CF3D использует мгновенно отвердевающие термореактивные материалы для снижения высокой стоимости, длительных сроков и дизайнерских ограничений. Photo Credit: Continuous Composites

В сентябре 2020 года специалист по 3D-печати с непрерывным волокном Continuous Composites (Кур-д'Ален, Айдахо, США) объявил о стратегическом партнерстве с компанией по специальным материалам Arkema (Коломб, Франция) через ее бизнес-линию Sartomer, чтобы объединить запатентованную технологию 3D-печати с непрерывным волокном (CF3D) Continuous Composites с фотовозможными смольными решениями N3xtDimension Arkema. Сочетание ожидается приведет к разработке, сертификации и коммерциализации библиотеки передовых материаловых решений для удовлетворения потребностей широкого спектра применений и отраслей.

Это формальное партнерство выросло из отношений, начавшихся в 2015 году, когда д-р Сумит Джайин, старший директор по 3D-печати в Arkema Worldwide, узнал о Continuous Composites и увидел возможность в процессе печати, который компания разрабатывала. По словам Тайлера Альварадо, CEO Continuous Composites, партнерство было естественным: «Он [Джайин] увидел возможность продвинуть фотовозможные термореактивные смолы, а мы увидели, что у него десятилетия опыта с полимерами, которые мы использовали».

К 2019 годам у компаний было соглашение о совместной разработке, и в начале 2020 года Arkema заняла долю в Continuous Composites, с объявлением стратегического партнерства в сентябре. «Мы крайне взволнованы партнерством и результатами, которые обе команды смогли достичь. Это одна из тех вещей, где один плюс один равно трем, действительно используя их опыт не только в композитном пространстве, но и в фотовозможных термореактивных смолах», — говорит Альварадо.

Связывание фотовозможных смол с 3D-печатью непрерывного волокна

Сегодня сегмент Advanced Materials Arkema имеет ветви, охватывающие многие материалы, включая термореактивные и термопластические, и в композитах многие процессы и применения, включая 3D-печать, а также более традиционные производственные процессы. Бизнес-линия Sartomer фокусируется на специальных акрилатах и метакрилатах для ряда рынков и десятилетиями предоставляет УФ-отвердеваемые материалы в виде покрытий, клеев и филаментов для 3D-печати, по словам Джеффри Кланга, директора R&D Sartomer для глобальной команды 3D-печати.

Для дополнения своей системы CF3D печати, которая является внеавтоклавной (OOA), масштабируемой технологией 3D-печати, основанной на использовании мгновенно отвердевающих смол и непрерывных волокон (подробнее см. «3D-печать композитов с непрерывным волокном»), Continuous Composites требовала каталог смол, соответствующих высоким механическим требованиям клиентов в отраслях от авиакосмической до энергетики и обороны. «Наша бизнес-модель — предоставлять машины, их соответствующее ПО и смолы, чтобы позволить этим клиентам производить любой компонент, за которым они охотятся в их специфическом промышленном применении», — говорит Альварадо.

Эта потребность в высоких механических свойствах, таких как температуры стеклования (Tg) и пожар, дым и токсичность (FST), привела к фокусу на термореактивных смолах, хотя Альварадо отмечает, что технология CF3D может использовать термопластики тоже. «Наша ключевая компетенция в том, что мы берем сухое непрерывное волокно, а затем импрегнируем его мгновенно отвердевающей — в данном случае УФ-отвердевающей — смолой», — говорит он. «Мы действительно фокусируемся на этом подходе с мгновенно отвердевающими термореактивными смолами, который позволяет композитной структуре принимать форму прямо там в свободной форме, позволяя нам использовать анизотропные свойства непрерывного волокна и создавать эти сложные органические геометрии, которые крайне легкие и очень прочные. Мы можем производить очень высококачественный композитный ламинат с очень высоким содержанием волокна и низкой пористостью».

Photo Credit: Arkema

Жидкие смолы N3xtDimension Sartomer, часть недавно запущенной платформы 3D Printing Solutions by Arkema, в комбинации с структурными волокнами от углеродного и стекловолокна до Dyneema и арамидов, оказались идеальным соответствием, и компании теперь работают над разработкой библиотеки УФ-отвердеваемых смол, удовлетворяющих ряду требований механических свойств.

Помимо механических свойств смол, устранение необходимости термической отвердевки готовых деталей позволяет двум самым инновационным особенностям CF3D: высоким скоростям печати и способности печатать без поддержки в открытом воздухе. «Обычно, когда вы укладываете композит, у вас должна быть оснастка/формы для поддержки укладки», — говорит Альварадо, — «но потому что мы используем мгновенно отвердевающие термореактивные смолы, усиленные структурным филаментом, мы способны отвердеть этот материал, и он может принять свою форму без этого поддерживающего материала». Это устраняет затраты и сроки на приобретение форм и оснастки, и устраняет дизайнерское ограничение необходимости проектировать вокруг оснастки. «Теперь вы можете направлять эти волокна во многих направлениях... Способность печатать без поддержки позволяет действительно уникальные нависающие геометрии перекрывать большие промежутки», — говорит он.

Далее, CF3D «является очень стабильной машиной... и печатает значительно быстрее традиционных термопластиковых машин», — говорит Альварадо. Эти скорости ممكنы благодаря устранению проблем, таких как управление температурными градиентами внутри ламината и варпедж (из-за использования термореактивных смол вместо термопластиков), и что система не ограничена процессом нагрева (из-за использования УФ-отвердевания светом).

Существует две переменные скорости печати, добавляет он: отвердевание материала и точность печати. «Проблема не в смолах; они отвердевают вовремя. Машина — это бутылочное горлышко», — говорит он, отмечая, что роботы как платформа движения изначально проектировались для повторяющихся движений из точки А в точку Б pick-and-place, но не обязательно для точности, вовлеченной в 3D-печать. «Наша команда фактически разработала собственную интеграцию ЧПУ-контроллера как базовую платформу управления движением для нашей системы 3D-печати, так что мы можем двигаться через точки точно и повторяемо, что позволяет нам резко увеличить скорость, с которой мы сейчас печатаем», — говорит он. Используя ЧПУ-контроллер, в следующем году Continuous Composites планирует увеличить скорость печати системы до трех раз.

Как и с любой инновацией, были вызовы, связанные с переносом УФ-отвердеваемой смольной технологии Sartomer на более высокопроизводительные и структурные применения, по словам Кланга Sartomer. Например, одна область фокуса — повышение температурной стойкости. «Мы близки к 230°C», — отмечает он, — «что действительно вводит нас в некоторые очень интересные новые типы применений».

Джайин Arkema добавляет: «С этим партнерством мы работаем снизу вверх, чтобы изменить способ производства композитов. Это не тривиально. Мы уже работаем вместе четыре года, и мы только начинаем».